在糖的存在下制备用于糖果应用的琼脂流体凝胶

《Journal of Food Engineering》：Formulation of agar fluid gels in the presence of sugar for confectionery applications

　　蔗糖浓度影响琼脂流体凝胶的微观结构和流变性能，高浓度（>45%）增强粒子刚度与弹性模量，但后期添加会削弱流变性质，揭示糖与凝胶相的相互作用机制。

　　
本研究聚焦于糖分（以蔗糖为例）对流体凝胶性能的影响机制，重点考察了蔗糖浓度（0-60%）、添加时机（凝胶形成前/后）以及工艺参数（剪切速率、冷却速率）对流体凝胶微观结构、流变特性及工业适用性的作用规律。研究采用流变学、质构分析和相差显微镜等综合表征手段，揭示了高糖环境下流体凝胶的独特行为特征。

在基础性能方面，随着蔗糖浓度从0%增至60%，流体凝胶呈现三阶段演化特征。低浓度阶段（<15%），蔗糖通过形成氢键网络增强连续相黏度，促进胶体粒子聚集，导致凝胶粒子尺寸减小约40%（从初始的15-20μm降至8-10μm）。中浓度阶段（15-45%），粒子间通过糖分子介导的缠结作用形成致密骨架，剪切模量（G'）提升幅度达200%-300%。当浓度超过45%时，体系进入相分离临界区，粒子表面因糖分子渗透压效应产生局部脱水收缩，形成直径小于5μm的纳米级凝胶核心，同时连续相黏度突破200Pa·s量级，表现出类似非牛顿宾汉流体的特性。

添加时序的差异性显著影响最终产品性能。预凝胶化添加蔗糖时，糖分子均匀分布于连续相，通过分子重排强化粒子间作用力，体系在1.5%固形物下仍能保持85%的初始弹性模量。而后期添加的体系（特别是>30%浓度）因糖分子与已形成凝胶网络的界面相容性差，导致体系出现阶段性屈服点现象，在25-50%浓度区间出现弹性模量异常波动（±15%），这可能与糖分子在粒子表面形成液滴夹层有关。

工艺参数的优化空间巨大。对比实验室小型流变仪（平板式）与工业级搅拌器（针式转子，转速800-3000rpm）的实验结果发现，剪切场作用下粒子呈现各向异性生长，沿剪切方向延伸长度达初始尺寸的3-5倍。通过调整冷却速率（5-30℃/min），可在15-60秒内完成凝胶粒子从多孔结构向致密结构的转变，这一特性为开发温敏型糖基流体凝胶提供了理论依据。

研究还创新性地揭示了连续相在高压糖环境下的功能演变。当蔗糖浓度超过临界值（约45%）时，传统认为的"牛顿流体基体"转变为具有自修复特性的智能连续相。相差显微镜观察显示，连续相中形成直径2-3μm的周期性富糖区，这种空间分布模式使体系在低固形物（1.5%）下仍能保持0.8-1.2Pa·s的稳定黏弹性，为开发高含糖量低热量的仿生奶油提供了新思路。

在应用层面，研究建立了工艺参数与产品性能的映射模型：针式搅拌器比平板式设备提高凝胶强度28%，当剪切速率控制在1200rpm时，体系在50%蔗糖浓度下仍保持良好的触变性（触变指数达0.65）。特别值得注意的是，当采用分阶段添加工艺（先添加30%蔗糖，后续添加至60%）时，体系在高温（60℃）下的储存稳定性提升40%，这一发现对解决高糖流体凝胶高温易逆问题具有指导意义。

该研究为功能性食品凝胶的工业化开发提供了关键数据支撑。通过系统研究不同工艺参数下糖分对流体凝胶的作用机制，建立了包含3个关键调控参数（固形物浓度梯度、剪切场类型、分阶段添加）的工艺优化模型。测试数据显示，当固形物达1.8%、蔗糖浓度控制在55-60%、采用分阶式预剪切工艺时，体系可获得最佳综合性能（弹性模量1.2Pa·s，触变指数0.72，储存稳定性维持6个月以上）。这些成果不仅深化了对糖基流体凝胶多尺度结构的理解，更为开发兼具健康属性（低脂高纤维）和卓越流变性能（屈服应力0.15-0.25Pa）的新型甜味剂替代脂肪体系奠定了理论基础。